mTOR信号通路

mTOR( 哺乳动物雷帕霉素靶标) 是一种分子量为289 kDa 的丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇3- 激酶相关激酶(PIKK)家族。 该蛋白由一个催化激酶结构域、一个FRB(FKBP12-雷帕霉素结合)结构域、C- 末端附近的一个预测的自抑制结构域(抑制子结构域)、氨基末端多达20 个重复的HEAT 基序以及FAT (FRAP-ATM-TRRAP)和FATC (FAT C-末端)结构域组成。TOR 的C 末端与磷脂酰肌醇3- 激酶(PI3K)的催化结构域高度同源。TOR 蛋白在进化上从酵母到人类都是保守的，人、小鼠和大鼠的mTOR 蛋白在氨基酸水平上有95% 的同源性。人mTOR 基因编码2549 个氨基酸的蛋白质，与酵母TOR1 和TOR2 的序列同源性分别为42% 和45% 。mTOR 在参与控制细胞生长和增殖的信号通路中起中心作用(参考文献1)。

mTOR 通路受多种细胞信号的调控，包括有丝分裂生长因子、胰岛素等激素、营养素(氨基酸、葡萄糖)、细胞能量水平和应激条件。PI3K/Akt(v-Akt小鼠胸腺瘤病毒癌基因同源1)信号转导通路是通过mTOR 传递信号的主要通路，在介导细胞存活和增殖中起重要作用。通过 PI3K/Akt 通路的信号是由与细胞膜上的受体结合的生长因子的有丝分裂刺激启动的。这些受体包括IGFR (胰岛素样生长因子受体)、PDGFR (血小板衍生生长因子受体)、EGFR (表皮生长因子受体)和HER 家族。来自激活的受体的信号直接传递到PI3K/Akt 通路，或者，也可以通过由致癌蛋白RAS 激活的生长因子受体激活。RAS 是另一个信号转导的中枢开关，而且已证实是MAPK (丝裂原活化蛋白激酶)信号转导通路的关键激活子。胰岛素也可通过IRS1/2 (胰岛素受体底物-1/2)激活PI3K/Akt 通路。胰岛素结合激活IR (胰岛素受体)酪氨酸激酶，使IRS1 或IRS2 磷酸化。PI3K 通过P85 调节亚基中的SH2 (Src-Homology-2)结构域与磷酸化IR 结合。这种相互作用激活了p110 催化亚基。然后，PI3K 催化膜结合的PIP2 (磷脂酰肌醇(4，5)二磷酸)转化为PIP3 (磷脂酰肌醇(3，4，5)-三磷酸)。PIP3 然后与Akt 的pleckstrin 同源结构域结合，通过二聚化和暴露其催化位点而导致Akt 的激活。

AKT 也可以被PDK-1 (磷脂依赖激酶-1)磷酸化和激活。AKT 直接磷酸化mTOR 。AKT 也可能通过TSC1/TSC2 (结节性硬化症复合体)的作用间接作用于mTOR 。蛋白质 TSC1 (Hamartin)和TSC2 (Tuberin)的物理结合产生了抑制mTOR 的功能复合体。最近的证据表明，TSC1/TSC2 的抑制作用是通过TSC2 失活Ras 家族的小GTPase Rheb (RasHomolog Enriched In Brain)实现的。TSC2 对Rheb 具有GAP (GTPase-Activating Protein)活性，推测TSC1/TSC2 复合物通过刺激Rheb 的GTP 水解来抑制mTOR 信号转导。RHEB-GTP 激活mTOR 。PMA (佛波酯)也可以通过PKC (蛋白激酶-C)和RSK1 (核糖体-S6激酶-1)抑制TSC1/2 复合体，以及通过PKC 激活S6K1 而不依赖于Akt 而导致mTOR 磷酸化。AMPK (AMP(腺苷5‘-单磷酸)激活的蛋白激酶)也可以调节mTOR 。AMPK 对细胞内AMP (5‘-单磷酸腺苷)/ATP(三磷酸腺苷)比值的升高非常敏感，因此是关键的能量敏感激酶。这一比例的增加促进了上游激酶LKB1 的磷酸化和激活，上游激酶LKB1 是一种在Peutz-Jeghers 综合征中突变的人类肿瘤抑制因子。激活的AMPK 反过来磷酸化TSC2 (位于与Akt磷酸化的残基不同的残基上)，明显促进其激活。这反过来又抑制了mTOR 活性的作用(参考文献2，3和5)。

磷脂酸(PA)也能激活mTOR 。有三种不同的酶可以产生PA ：PLD (磷脂酶-D)、LPAAT(溶血磷脂酸酰基转移酶)和DGK (二酰甘油激酶)。PLD 被认为是PA 对mTOR 信号的主要贡献者。尽管如此，其他产生 PA 的酶也可以促进mTOR 的激活；据报道，LPAAT 在一些肿瘤中升高，其过度表达会导致细胞转化。血清刺激导致PLD 激活，这与mTOR 信号增强相关。血清是有丝分裂原的混合物，通过G 蛋白偶联受体(GPCRs)或受体酪氨酸激酶(RTKs)发挥作用。PLD 活性随着两种受体类型的刺激而增加。脂类如DAG (二酰甘油)和PA 产生于膜结构域中，在那里不同的脂质代谢途径之间保持着密切的联系，从而产生适当的时空反应。PLD 和DGK 可以并行运行，但它们也可以在单个途径中作为DAG 和PAG 生成酶。在哺乳动物细胞中，内膜(如高尔基体)产生的PA 主要是通过磷脂酰胆碱(PC)的PLD 作用产生的。这种PA 既可以作为信使，促进囊泡分裂，也可以作为磷酸酶的底物，将PA 转化为DAG 。因为PC 是哺乳动物膜中最丰富的脂质，这个通路是DAG 的强大供应者，然后可以用作DGK 底物(参考文献4&5)。因此，已经提出了几种机制来解释mTOR 是如何受到生长因子和细胞能量水平的调节的。然而，关于mTOR 是如何受压力条件调节的，我们知之甚少。两种应激诱导蛋白RTP801/Redd1 和RTP801L/Redd2 通过mTOR 有效地抑制信号转导。RTP801 和RTP801L 作用于AKT 下游和TSC2 上游，以抑制mTOR 功能。另一种mTOR 抑制剂是雷帕霉素。当与其细胞受体FKBP12 (FK506结合蛋白-12)络合时，雷帕霉素直接与TOR 结合以抑制下游信号(参考文献1、6和7)。

mTOR 的激活会导致几个下游靶点的磷酸化。 蛋白质mTOR 要激活其信号级联，必须形成三元复合体mTORC1 (mTOR复合体-1)和mTORC2 (mTOR复合体-2)。雷帕霉素敏感的 mTORC1 控制着几条共同决定细胞质量(大小)的通路。雷帕霉素不敏感的mTORC2 控制肌动蛋白细胞骨架，从而决定细胞的形状。mTORC1 (和可能的mTORC2)是多聚体，尽管会绘制为单体。mTORC1 是由mTOR 、RAPTOR (mTOR调节相关蛋白)和G-BetaL (G-蛋白β亚基样蛋白)组成的三元复合物。另一方面，mTORC2 复合物由mTOR 、G-BetaL 和Rictor 组成。mTOR 下游研究最清楚的效应器是两条信号通路，它们平行作用，控制mRNA 的翻译。激活的mTOR 介导eIF4EBP1 (真核翻译起始因子-4E结合蛋白-1)和核糖体蛋白p70S6K 或S6K1 (S6激酶)的磷酸化。4EBP1 (又称PHAS1)是一种能抑制eIF4F (真核细胞起始因子-4)复合物活性的小分子蛋白。在非磷酸化状态下，4EBP1/PHAS1 与eIF4F 复合物的mRNA 帽结合亚基eIF4E (真核翻译起始因子-4E)紧密结合，从而抑制eIF4E 启动蛋白质合成的活性。mTOR 使4EBP1 磷酸化，降低其与eIF4E 的亲和力，使两种蛋白解离。然后eIF4E 能够与eIF4F 的其他成分结合，这些成分包括大支架蛋白eIF4G (真核翻译起始因子-4-γ)、依赖三磷酸腺苷的RNA 解旋酶eIF4A (真核翻译起始因子-4A)和eIF4B (真核翻译起始因子-4B)，形成活性复合物。这种复合体促进了帽子依赖蛋白的翻译。净效应是具有5’- 非翻译区的mRNAs 子集的翻译增加，这些非翻译区通常编码与细胞周期中的增殖反应和从G1 期到S 期的转换相关的蛋白质。这些mRNA 包括编码c-Myc 、CCND1 (Cyclin-D1)和鸟氨酸脱羧酶的那些。Cyclin-D1 与CDK4 结合，形成Rb (视网膜母细胞瘤蛋白)磷酸化所需的复合物，促进细胞周期和DNA 复制。剥夺生长因子或抑制mTOR 导致4EBP1 去磷酸化，并与eIF4E 重新结合，随后帽特异性翻译减少。mTOR 还可能通过调节PP2A (蛋白磷酸酶-2A)的活性间接影响4EBP1 的磷酸化状态。mTOR 下游的第二个主要效应因子是S6K1 丝氨酸/ 苏氨酸激酶。在接收到PI3K/Akt 通路介导的增殖上游信号后，mTOR 磷酸化并激活S6K1 。反过来，S6K1 磷酸化并激活40S 核糖体S6 蛋白，促进40S 核糖体亚基募集到激活的翻译多聚体中。特别地，具有5’-top (5’-T末端寡嘧啶)序列的mRNAs 的翻译被增强。这些具有5’-TOP 的mRNAs 主要编码核糖体蛋白、延伸因子和IGF-I I(胰岛素样生长因子-II)。S6K1 的去磷酸化减少了蛋白质翻译系统各组成部分的合成，导致蛋白质合成的显著减少。mTORC1 还通过磷酸化HIF1Alpha (缺氧诱导因子-1-Alpha亚单位)来调节VEGF (血管内皮生长因子)(参考文献8，9和10)。

除了对翻译的影响外，mTOR 还通过调节RNA 聚合酶I 和III 来调节蛋白质的合成，这两个聚合酶负责核糖体和转运RNA 的转录。在适当的生长信号如 IGF1 的存在下，mTOR 与PI3K 和MAPK 通路一起调控Pol I 介导的核糖体RNA 的转录。也有证据表明，mTOR 可能通过影响调控Rb 上游CDK 的Cyclin-D1 和p27 的稳定性和表达来调节Rb 的磷酸化状态，从而对聚合酶产生作用。mTORC2 可能通过一个小的Rho 型GTPase 和PKC 向肌动蛋白细胞骨架发出信号。此外，mTORC2 以生长因子依赖的方式控制激活的、GTP 结合的rac1 的形成。mTORC2 还控制PKC- α(protein Kinase-C-Alpha，PKC-Alpha)的磷酸化和活化。mTOR 作为增殖信号转导的中枢调控因子，是治疗肿瘤的理想靶点。通过对许多信号转导途径的广泛阐明，mTOR 激酶参与了整合外部信号和内部信号的关键事件，协调细胞的生长和增殖。mTOR 接收指示转录和翻译机制是否应该上调的信号，然后有效地将这些信号传送到适当的途径。在许多癌症类型中，通过mTOR 传递信号的信号通路的多个组成部分是失调的。开发mTOR 抑制剂是治疗以mTOR 信号通路失调为特征的恶性肿瘤的合理治疗策略(参考文献9&11)。

mTOR信号通路是一种与细胞生长、代谢和疾病相关的重要信号通路。它由两种不同的复合体组成，分别是mTORC1和mTORC2，它们有不同的组分、调控因素和功能。本文将介绍mTOR信号通路的基本概念，主要作用，异常导致的后果，以及现阶段相关的药物研发。

基本概念

mTOR是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin）的缩写，它是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于PI3K/Akt信号通路的下游效应子。mTOR可以与不同的蛋白质形成两种复合体，即mTORC1和mTORC2，它们在细胞内有不同的定位和功能。

mTORC1是mTOR复合体1的缩写，它由mTOR、Raptor、PRAS40、DEPTOR和MLST8等蛋白质组成。mTORC1主要响应营养、能量和生长因子等信号，通过磷酸化下游效应子来促进蛋白质、脂质、核苷酸和葡萄糖的合成，抑制蛋白质的分解和自噬。mTORC1的主要下游效应子有S6K1、4E-BP1、ULK1、HIF-1α和SREBP等。

mTORC2是mTOR复合体2的缩写，它由mTOR、Rictor、mSin1、Protor、DEPTOR和MLST8等蛋白质组成。mTORC2主要充当胰岛素/PI3K信号通路的效应子，通过磷酸化下游效应子来促进细胞存活、增殖和细胞骨架重塑。mTORC2的主要下游效应子有Akt、SGK1、PKCα和NDRG1等。

主要作用

mTOR信号通路在维持细胞的正常生理功能和适应环境变化中起着重要的作用。然而，mTOR信号通路的异常活化或抑制也与多种疾病，如癌症、心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病和老化等有关。因此，mTOR信号通路是一个重要的药物靶点，有许多研究致力于开发mTOR的抑制剂或激活剂，以治疗或预防mTOR相关的疾病。

mTOR抑制剂

目前，已经有一些mTOR的抑制剂，如雷帕霉素及其衍生物，可以用于治疗一些mTOR相关的疾病。雷帕霉素是一种从土壤放线菌中分离出来的天然产物，它可以与FKBP12蛋白结合，形成一个复合物，进而与mTOR结合，抑制mTORC1的活性，从而抑制细胞的生长和代谢。雷帕霉素及其衍生物，如西罗莫司、埃维莫司和特莫西莫司等，已经被用于治疗一些肿瘤、器官移植排斥反应和遗传性疾病，如结节性硬化症等。

然而，雷帕霉素及其衍生物也有一些局限性，如不能有效抑制mTORC2的活性，可能导致mTORC1的反馈激活，以及有一些不良反应，如口腔溃疡、皮疹、感染和高血糖等。因此，有必要开发更有效和安全的mTOR的抑制剂或激活剂，以扩大mTOR信号通路的药物应用范围。

目前，有一些新型的mTOR的抑制剂或激活剂正在研究或临床试验中，如ATP竞争性的mTOR激酶抑制剂（如AZD8055、INK128和OSI-027等），mTORC1和mTORC2的双重抑制剂（如PP242、KU-0063794和Torin1等），以及mTORC1的激活剂（如MHY1485和Rapalink等）。

小结

mTOR信号通路是一种与细胞生长、代谢和疾病相关的重要信号通路，它由两种不同的复合体组成，分别是mTORC1和mTORC2，它们有不同的组分、调控因素和功能。mTOR信号通路的异常活化或抑制与多种疾病，如癌症、心血管疾病和糖尿病等有关。目前，有一些mTOR的抑制剂，如雷帕霉素及其衍生物，可以用于治疗一些mTOR相关的疾病，但也有一些局限性和不良反应。因此，有必要开发更有效和安全的mTOR的抑制剂或激活剂，以扩大mTOR信号通路的药物应用范围。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 (mTOR) 是一种非典型的丝氨酸/苏氨酸激酶，存在于两个不同的复合体中。第一个为 mTOR 复合体 1 (mTORC1)，由 mTOR、Raptor、GβL 和 DEPTOR 构成，受 rapamycin 抑制。它是一种主要的生长调节分子，可感受并结合不同的营养因素和环境因素，包括生长因子、能量水平、细胞应激，以及氨基酸。它结合这些信号后就能通过将底物磷酸化以增强合成代谢（如 mRNA 翻译和脂质合成）或限制分解代谢（如自噬），从而促进细胞生长。小分子 GTP 酶 Rheb，在与 GTP 结合的状态下，是 mTORC1 激酶活性所需的强效刺激剂，并且受到其 GAP（即结节性硬化异二聚体 TSC1/2）的负性调控。绝大多数上游输入信号通过 Akt 和 TSC1/2 来调节 Rheb 的核苷酸负载状态。与此相反，氨基酸信号以独立于 PI3K/Akt 轴的方式将信号指向 mTORC1 ，并促进 mTORC1 转运到溶酶体表面，在此处即可与 Rheb 接触并激活。这一过程由多种复合体的协调行动来介导，这些复合体特别包括 V 型 ATP 酶、Ragulator、 Rag GTP 酶，以及 GATOR1/2。第二种复合体是 mTOR 复合体 2 (mTORC2)，由 mTOR、Rictor、 GβL、 Sin1、PRR5/Protor-1 和 DEPTOR 构成。mTORC2 可以通过激活 Akt 促进细胞存活，通过激活 PKCα 调节细胞骨架动力学，以及通过磷酸化 SGK1 控制离子转运和生长。mTOR 信号转导异常见于多种疾病，如癌症、心血管疾病和糖尿病。

1964年，一支加拿大探险队来到与世隔绝的南太平洋拉帕努伊岛（也被称为复活节岛），收集了一组土壤样本，目的是识别新型抗菌剂。在从其中一个样本中分离出来的细菌中，塞加尔及其同事发现了一种具有显著的抗真菌、免疫抑制和抗肿瘤特性的化合物。该化合物以其发现位点命名为雷帕霉素(临床上称为西罗莫司)，进一步分析表明，它部分通过与肽基-脯氨酰-异构酶FKBP12形成功能获得复合体来抑制细胞生长和增殖所需的信号转导通路。

尽管有这些认识，雷帕霉素的完整作用机制直到1994年才被发现，当时生化研究确定雷帕霉素的机制靶点mTOR是雷帕霉素- FKBP12复合物在哺乳动物中的直接靶点，并发现它是酵母TOR/DRR基因的同源物，这些基因此前在雷帕霉素耐药基因筛查中被鉴定。

在这些发现之后的20多年里，来自全球几十个实验室的研究显示，mTOR蛋白激酶是一个主要的真核生物信号网络，它协调细胞生长与环境条件，在细胞和生物体的生理学中发挥着基本作用。mTOR功能和调节的许多方面最近才被阐明，还有许多问题没有得到解答。在这篇综述中，我们概述了我们目前对mTOR途径的理解以及它在生长、代谢和疾病中的作用。

mTORC1和mTORC2

mTOR是PI3K相关激酶(PIKK)家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，形成两个不同的蛋白复合物的催化亚基，称为mTOR复合物1 (mTORC1)和2 (mTORC2)（图1A）。mTORC1由其三个核心成分组成：mTOR、Raptor（与mTOR相关的调节蛋白）和mLST8（哺乳动物致死的Sec13蛋白8，也被称为GßL）（图1B）。Raptor通过与几个典型的mTORC1底物上发现的TOR信号（TOS）图案结合，促进底物被招募到mTORC1，如后面所述，是mTORC1正确的亚细胞定位所必需的。 相反，mLST8与mTORC1的催化结构域结合，可能稳定激酶激活环，尽管遗传研究表明它对mTORC1的基本功能是不需要的。除了这三个核心成分外，mTORC1还含有两个抑制性亚单位PRAS40（富含脯氨酸的40kDa Akt底物）和DEPTOR（含有mTOR相互作用蛋白的DEP结构域）。

虽然雷帕霉素-FKBP12复合物直接抑制mTORC1，但mTORC2的特点是对急性雷帕霉素治疗不敏感。与mTORC1一样，mTORC2也包含mTOR和mLST8（图1C）。然而，mTORC2不含Raptor，而是含有Rictor。mTORC2还包含DEPTOR，以及调节亚基mSin1和Protor1/2。尽管雷帕霉素-FKBP12复合物并不直接结合或抑制mTORC2，但长期的雷帕霉素治疗确实废除了mTORC2的信号传导，这可能是由于雷帕霉素结合的mTOR不能纳入新的mTORC2复合物中。

mTOR信号通路—mTORC1下游

为了生长和分裂，细胞必须增加蛋白质、脂质和核苷酸的生产，同时抑制分解代谢途径，如自噬。mTORC1在调节所有这些过程中发挥着核心作用，因此在环境条件下控制合成代谢和分解代谢之间的平衡(图2A和2B)。在这里，我们回顾了mTORC1下游的关键底物和细胞过程，以及它们如何促进细胞生长。这里讨论的大多数功能是在哺乳动物细胞系的背景下确定和表征的，而这些过程的重要生理背景将在下面进行更详细的讨论。

调控蛋白质合成

mTORC1主要通过磷酸化两个关键效应物，p70S6激酶1（S6K1）和eIF4E结合蛋白（4EBP）来促进蛋白质的合成（图2B）。S6K1磷酸化后激活几个促进mRNA翻译启动的底物，包括eIF4B，一个5 ‘帽结合eIF4F复合物的积极调节器。S6K1还磷酸化并促进PDCD4的降解，PDCD4是eIF4B的抑制剂，并通过与SKAR的相互作用提高剪接后的mRNA的翻译效率，SKAR是外显子连接复合体的一个组成部分。

mTORC1底物4EBP与S6K1无关，它通过结合和封存eIF4E来抑制翻译，以防止eIF4F复合物的组装。mTORC1在多个位点磷酸化4EBP，以触发其与eIF4E的解离，允许5‘帽依赖的mRNA翻译发生。虽然长期以来，人们一直认为mTORC1信号调节mRNA翻译，但它是否以及如何影响特定类别的mRNA转录物一直存在争议。然而，核糖体足迹分析显示，虽然急性mTOR抑制会适度抑制一般的mRNA翻译，但它最深刻地影响了含有富含嘧啶的5 ‘TOP或TOP类图案的mRNA，其中包括参与蛋白质合成的大多数基因。

调控脂质，核苷酸和葡萄糖代谢

生长中的细胞需要足够的脂质来形成和扩张新膜。mTORC1通过固醇响应元件结合蛋白(sterol responsive element binding protein, SREBP)转录因子促进脂质从头合成，该转录因子控制脂肪酸和胆固醇生物合成相关代谢基因的表达。虽然SREBP是在低固醇水平下被规范激活的，但mTORC1信号通路也可以通过S6K1依赖的机制以及在没有mTORC1信号的情况下通过磷酸化另一个底物Lipin1 (Lipin1抑制SREBP)独立激活SREBP。最近的研究表明，mTORC1还能促进生长和增殖细胞中DNA复制和核糖体生物发生所需的核苷酸的合成。mTORC1增加ATF4依赖的MTHFD2的表达，MTHFD2是线粒体四氢叶酸循环的关键组成部分，为嘌呤的合成提供一个碳单位。此外，S6K1磷酸化并激活氨甲酰-磷酸合成酶(CAD)，这是从头合成嘧啶途径的关键组成部分。mTORC1还通过促进糖代谢从氧化磷酸化转变为糖酵解来促进生长，这可能有助于营养物质融入新的生物量。mTORC1增加转录因子HIF1a的翻译(图2C)， HIF1a驱动磷酸果糖激酶(PFK)等几种糖酵解酶的表达。此外，mTORC1-依赖的SREBP激活导致磷酸戊糖途径(PPP)通量增加，该途径利用葡萄糖中的碳生成NADPH和其他增殖和生长所需的中间代谢产物。

调控蛋白质周转过程

除了上述各种合成代谢过程，mTORC1还通过抑制蛋白质分解代谢促进细胞生长(图1B)，最显著的是自噬。自噬的一个重要的早期步骤是ULK1的激活，ULK1激酶与ATG13、FIP2000和ATG101形成复合体并驱动自噬小体形成。在营养充足的条件下，mTORC1磷酸化ULK1，从而阻止其被AMPK(一种关键自噬激活因子)激活。因此，mTORC1和AMPK在不同细胞环境中的相对活性在很大程度上决定了自噬诱导的程度。mTORC1也部分通过磷酸化和抑制转录因子EB (TFEB)的核转位来调控自噬，TFEB驱动溶酶体生物发生和自噬机制的基因表达。

负责蛋白质周转的第二个主要途径是泛素-蛋白酶体系统(UPS)，通过该系统，蛋白质在泛素共价修饰后被20S蛋白酶体选择性降解。最近的两项研究发现，急性mTORC1抑制通过蛋白质泛素化的普遍增加或通过抑制Erk5增加蛋白酶体伴侣的丰度，迅速增加蛋白酶体依赖的蛋白质水解(图2B)。然而，另一项研究发现，mTORC1信号的基因过度激活也可以通过提高Nrf1下游蛋白酶体亚基的表达来增加蛋白酶体的活性。对这种差异的一个可能的解释是，当急性mTORC1抑制促进蛋白质水解以恢复游离氨基酸池时，延长mTORC1激活也触发蛋白质周转的代偿性增加，以平衡蛋白质合成速率的增加。鉴于UPS在人类细胞中负责大部分蛋白质的降解，mTORC1如何准确地调控这一过程是未来的一个重要问题。

mTOR信号通路——mTORC2下游

虽然mTORC1调节细胞生长和代谢，但mTORC2主要通过磷酸化AGC (PKA/PKG/PKC)蛋白激酶家族的几个成员来控制细胞的增殖和存活(图2D)。第一个被鉴定的mTORC2底物是PKCa，一种肌动蛋白细胞骨架的调节因子。最近，mTORC2也被证明可以磷酸化PKC家族的其他成员，包括PKCd, PKCz，以及PKCg和PKCε，所有这些都调节细胞骨架重塑和细胞迁移的各个方面。

然而，mTORC2最重要的作用可能是磷酸化和激活Akt，这是胰岛素/ PI3K信号的关键效应之一。Akt一旦激活，通过磷酸化和抑制几个关键底物，包括FoxO1/3a转录因子、代谢调节剂GSK3β和mTORC1抑制因子TSC2，促进细胞存活、增殖和生长。然而，虽然mTORC2依赖的磷酸化是Akt在体内磷酸化某些底物(如FoxO1/3a)所必需的，但对其他底物(包括TSC2)的磷酸化则是不必要的。最后，mTORC2也磷酸化并激活SGK1，另一个调节运输和细胞存活的AGC激酶。

mTORC1的上游

mTORC1依赖性地转向增加新陈代谢，只有在存在促进生长的内分泌信号以及足够的能量和大分子合成的化学成分时才会发生。在哺乳动物中，这些输入在很大程度上取决于饮食，如mTORC1在进食后被激活，以促进肝脏和肌肉等组织的生长和能量储存，但在禁食期间被抑制，以保存有限的资源。在此，我们讨论了mTORC1的上游细胞途径以及它们控制mTORC1激活的机制。

生长因子

20世纪90年代早期对雷帕霉素的研究表明，mTORC1是几个生长因子和丝裂原依赖的信号通路的下游介质，所有这些信号通路都抑制了mTORC1信号的一个关键负调控因子，即结节性硬化症复合物(TSC)。TSC是由TSC1、TSC2和TBC1D7组成的异源三聚体复合物，是小GTPase Rheb的GTPase活化蛋白(GAP),使其GTPase形式转变为GDPase形式，从而失去活性。Rheb直接结合并激活mTORC1。虽然Rheb是mTORC1激酶的重要激活因子，但其如何激活mTORC1激酶活性尚不清楚。许多生长因子通路汇聚于TSC(图2A)，包括胰岛素/胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)通路，该通路触发Akt依赖的TSC2的多位点磷酸化。这种磷酸化作用通过将TSC从溶酶体膜上分离而抑制，而溶酶体膜上至少有一部分细胞Rheb定位于此。类似地，受体酪氨酸激酶依赖的Ras信号通过MAP激酶Erk及其效应物p90 RSK激活mTORC1，这两者也能磷酸化并抑制TSC2。然而，目前尚不清楚这些输入是否也控制了TSC的定位，或者通过一种独特的机制抑制其GAP活性。TSC上游的其他生长因子通路包括Wnt和炎症细胞因子TNFa，两者都通过抑制TSC1激活mTORC1。然而，TSC如何准确地整合这些信号，以及它们在不同环境下对mTORC1活动的相对影响，仍然是一个悬而未决的问题。

能量、氧气和DNA损伤

也对与生长不相容的细胞内和环境压力做出反应，如低ATP水平、缺氧或DNA损伤。细胞能量的减少，例如在葡萄糖剥夺过程中，激活应激反应代谢调节因子AMPK, AMPK通过磷酸化和激活TSC2直接抑制mTORC1，也通过Raptor的磷酸化直接抑制mTORC1。有趣的是，在缺乏AMPK的细胞中，葡萄糖的剥夺也通过抑制Rag GTPase来抑制mTORC1，这表明mTORC1通过不止一种机制感知葡萄糖。类似地，缺氧抑制mTORC1部分通过AMPK激活，但也通过诱导激活TSC的REDD1 (Regulated in DNA damage and development 1)。最后，DNA损伤反应通路通过诱导p53靶基因，包括AMPK调控亚基(AMPKβ)、PTEN和TSC2本身，使TSC活性增加，从而抑制mTORC1。

氨基酸

除了葡萄糖依赖的胰岛素释放外，由于饮食蛋白质的消化，导致血清氨基酸水平的增加。由于氨基酸不仅是蛋白质的基本组成部分，也是许多其他代谢途径的能量和碳的来源，mTORC1的激活与饮食引起的氨基酸浓度的变化紧密相连。

在理解mTORC1的氨基酸感应方面的一个突破是发现了作为mTORC1途径组成部分的异二聚体Rag GTP酶。Rag是RagA或RagB与RagC或RagD的强制性异源二聚体，通过与MP1、p14、p18、HBXIP和C7ORF59组成的五聚体Ragulator复合物结合而被拴在溶酶体膜上。氨基酸刺激使Ragulator转化为活性核苷酸结合状态，使其能够结合Raptor并招募mTORC1到溶酶体表面，Rheb也位于此。因此，这种途径结构形成了一个AND门，即只有当Rags和Rheb都被激活时，mTORC1信号才会被激活，这也解释了为什么mTORC1的激活需要生长因子和氨基酸。

尽管有这些见解，但直到最近，mTORC1上游的直接氨基酸传感器的身份仍然难以确定。现在很清楚，mTORC1通过不同的机制感知溶酶体内和细胞膜上的氨基酸。溶酶体腔内的氨基酸通过一种依赖于溶酶体v-ATP酶的机制改变Rag的核苷酸状态，该机制与Ragulator-Rag复合物相互作用，促进Ragulator对RagA/B的鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）活性。溶酶体氨基酸转运体SLC38A9与Rag-Ragulator-v-ATPase复合物相互作用，并且需要精氨酸来激活mTORC1，使其有希望成为溶酶体氨基酸传感器的候选复合物。

细胞膜上的亮氨酸和精氨酸通过一个由GATOR1和GATOR2复合体组成的不同途径向mTORC1发出信号。GATOR1由DEPDC5、Nprl2和Nprl3组成，通过充当RagA/B的GAP来抑制mTORC1信号的传递。最近发现的KICSTOR复合物（由Kaptin、ITFG2、C12orf66和SZT2组成）将GATOR1拴在溶酶体表面，是营养物质适当控制mTORC1途径的必要条件。相反，GATOR2是一个由Mios、WDR24、WDR59、Seh1L和Sec13组成的五元复合体，是mTORC1信号的正向调节器，与GATOR1在溶酶体膜上相互作用。

Sestrin2是一种GATOR2相互作用的蛋白，在氨基酸匮乏的情况下抑制mTORC1的信号传导，这是对细胞膜氨基酸感应机制的一个重要认识。随后的生化和结构分析表明，Sestrin2是mTORC1上游的一个直接的亮氨酸传感器，在没有亮氨酸的情况下结合并抑制GATOR2的功能，并在亮氨酸结合后与其解离。此外，Sestrin2对亮氨酸的亲和力决定了培养细胞中mTORC1信号传导对亮氨酸的敏感性，表明Sestrin2是这种情况下mTORC1的主要亮氨酸传感器。由于间质或细胞膜上的亮氨酸水平不明，体内亮氨酸浓度是否在相关范围内波动，以及在什么组织中波动，从而被Sestrin2感知，仍有待观察。有趣的是，最近的另一项研究发现，Sestrin2在长期氨基酸饥饿时通过应激反应转录因子ATF4进行转录诱导，这表明Sestrin2既是一个急性白氨酸传感器，也是长期氨基酸饥饿的间接媒介。

细胞膜上的精氨酸也通过GATOR1/2-Rag途径激活mTORC1，直接与最近发现的精氨酸传感器CASTOR1（细胞精氨酸mTORC1的传感器）结合。与Sestrin2非常相似，CASTOR1在没有精氨酸的情况下结合并抑制GATOR2，并在精氨酸结合后解离，使mTORC1得到激活。因此，亮氨酸和精氨酸至少有一部分是通过释放GATOR2的抑制因子来刺激mTORC1的活性，从而使GATOR2成为氨基酸与mTORC1信号传递的中心节点（图3）。然而，重要的是，GATOR2的分子功能以及Sestrin2和CASTOR1调节它的机制尚不清楚。

最近还报道了氨基酸调节mTORC1信号的其他机制，包括确定Folliculin-FNIP2复合物是RagC/D的GAP，在有氨基酸的情况下激活mTORC1。另一项研究发现，氨基酸谷氨酰胺是增殖细胞利用的氮和能量来源，它通过相关的Arf家族GTP酶独立于Rag GTP酶激活mTORC1。最后，最近的一份报告发现，小多肽SPAR与v-ATP酶-Ragulator复合物相关联，以抑制mTORC1被招募到溶酶体，但这是如何发生的尚不清楚。

mTORC2的上游

与mTORC1相反，mTORC2主要是作为胰岛素/PI3K信号传导的效应器（图2A）。与大多数PI3K调节蛋白一样，mTORC2亚基mSin1含有一个磷酸肌酸结合的PH结构域，对胰岛素依赖性调节mTORC2活性至关重要。mSin1的PH结构域在没有胰岛素的情况下抑制mTORC2的催化活性，当与质膜上的PI3K生成的PIP 3结合时，这种自我抑制就会解除。mSin1也可以被Akt磷酸化，这表明存在一个正反馈回路，Akt的部分激活促进了mTORC2的激活，反过来，mTORC2会磷酸化并完全激活Akt。另一项研究发现，PI3K促进mTORC2与核糖体的结合以激活其激酶活性，尽管其机制基础尚不清楚。

出人意料的是，由于mTORC1和胰岛素/PI3K信号之间存在负反馈回路，mTORC2信号也受到mTORC1的调控。mTORC1磷酸化并激活Grb10, Grb10是Akt和mTORC2上游胰岛素/IGF-1受体信号的负调控因子，而S6K1也通过磷酸化依赖性胰岛素受体底物1 (IRS1)的降解抑制mTORC2的激活。这种由mTORC1对PI3K和mTORC2信号的负反馈调节对mTOR在疾病中的药理靶向有许多意义。

参考文献：Saxton RA, Sabatini DM. mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease. Cell. 2017 Apr 6;169(2):361-371.